NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA VÀO ĐIỀU KHIỂN LỰC TRỢ ĐỘNG TRONG THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG ĐỨNG CHO BỆNH NHÂN SAU TAI BIẾN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (458.94 KB, 6 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA VÀO ĐIỀU KHIỂN

LỰC TRỢ ĐỘNG TRONG THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG ĐỨNG CHO

BỆNH NHÂN SAU TAI BIẾN

Nguyễn Hoài Giang1, Hoàng Anh Dũng1,

Nguyễn Văn Sơn1*

, Nguyễn Việt Dũng2, Phạm Thanh Bình3

1Viện Đại học Mở Hà Nội, 2

Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội, 
3Viện khoa học kĩ thuật nơng lâm nghiệp miền núi phía Bắc

TĨM TẮT

Hiện nay ở Việt Nam, trong các thiết bị phục hồi chức năng, việc điều chỉnh lực trợ động khi tập
luyện phục hồi chức năng đứng vẫn chủ yếu được thực hiện bằng tay. Bài báo này mô tả phương
pháp và thuật toán điều khiển lực trợ động dùng vi điều khiển AVR Atmega128 của Atmel, ghép
nối với máy tính cho thiết bị phục hồi chức năng đứng cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não.
Việc sử dụng vi điều khiển kết hợp phần mềm trên máy tính sẽ điều chỉnh chính xác lực trợ động
của thiết bị, giảm bớt các thao tác của con người và dễ dàng trong việc lưu trữ đánh giá kết quả
luyện tập, nhằm giúp bác sỹ có các đánh giá chính xác hơn về tình hình của người bệnh.

Từ khóa: Phục hồi chức năng đứng, lực hỗ trợ, điều khiển tự động, vi điều khiển

GIỚI THIỆU*

Hiện này bệnh đột quỵ là một trong số các
căn bệnh thường gặp đối với người cao tuổi,

có nhiều bệnh nhân bị liệt nửa người và bị
bệnh về vận động sau khi bị đột quỵ. Theo
thống kê tại Việt Nam có khoảng 7,8% dân
số, tương đương với 6,1 triệu người là những
người bị khuyết tật về một chức năng nào đó
như vận động, thị giác, thính giác, ngơn ngữ.
Trong đó, số người bị khuyết tật về chức năng
vận động chiếm tỷ lệ cao nhất lên đến 35,5%
[1]. Đội ngũ chuyên gia phục hồi chức năng
của ta còn chưa đủ, trang thiết bị tập luyện
còn rất thiếu thốn, chủ yếu là các thiết bị tập
luyện cổ điển, thông thường.

Cũng đã có một số cơng ty sản xuất các trang
bị hỗ trợ đi lại, nhưng vẫn chỉ là các thiết bị
giản đơn như khung đỡ, gậy chống…Một số
nghiên cứu chuyên sâu về trang thiết bị hỗ trợ
đi lại như xe lăn tự hành dành cho người
khuyết tật đã được một nhóm tác giả tại Đại
học Bách khoa Hà Nội thực hiện [2]. Việc
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết hỗ trợ
tập luyện phục hồi chức năng vận động mới
bắt đầu được chú ý tới. Ví dụ như đề tài
nghiên cứu, thiết kế thiết bị tập luyện khớp cổ

Tel: 0913 048207, Email:

tay do một nhóm tác giả ở Đại học Bách khoa
Đà Nẵng thực hiện [3]. Tuy nhiên đây không
phải là các thiết bị hỗ trợ tập luyện phục hồi
chức năng đứng của bệnh nhân. Như vậy có thể
nói đây là đề tài nghiên cứu đầu tiên hướng tới
việc thiết kế thiết bị hỗ trợ tập luyện phục hồi
chức năng đứng của bệnh nhân.

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẠCH
ĐIỀU KHIỂN LỰC TRỢ ĐỘNG

Tổng quan hệ thống

Mơ hình của thiết bị hỗ trợ phục hồi chức
năng đứng cho các bệnh nhân sau tai biến
mạch máu não được minh họa như ở hình 1.
Thành phần chính của thiết bao gồm một
động cơ SERVO DC liên kết một trục vít me
đai ốc, con chạy của vít me được gắn với một
puly căng dây cáp để tạo lực nâng đỡ bệnh
nhân. Khi động cơ quay sẽ làm pu ly căng dây
chuyển động lên xuống từ đó có tác dụng
nâng hạ bệnh nhân.

Hình 1. Mơ hình hệ thống

Vấn đề chính cần giải quyết là tính tốn và
tạo lực nâng hay lực trợ động một cách chính
xác cho bệnh nhân theo từng bài tập trên máy

tính và q trình đó được thực hiện một cách
tự động sau khi đã cố định bệnh nhân. Tham
số đặt được truyền xuống từ máy tính để so
sánh với lực trợ động sẽ được đọc từ cảm
biến, sau đó tính lấy giá trị chênh lệch rồi đưa
vào khối điều khiển để điều chỉnh lực trợ
động (lực nâng).

Giải thuật điều khiển PID [5] sẽ tính tốn giá
trị đầu ra (là tham số điều khiển vị trí) dựa
vào sự liên hệ giữa đầu vào (là sai lệch giữa
lực nâng thực tế và lực nâng cần có được). Sơ
đồ khối của hệ thống điều khiển bao gồm bộ
vi điều khiển, cảm biến lực và mạch điều
khiển động cơ được thể hiện trong hình 2. Bộ
điều khiển sẽ điều khiển lực nâng bằng cách

quay động cơ để di chuyển puly tạo lực căng
dây cáp.

Lực trợ động được đo bằng một bộ cảm biến
lực Loadcell CAS BCL100 [6]. Tín hiệu điện
tương tự từ Loadcell sẽ được đưa tới khối
chuyển đổi tương tự - số. Khối chuyển đổi
tương tự số có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, đưa tín hiệu số vào
khối vi xử lý trung tâm để xử lý, hiển thị
thơng tin khối lượng. Từ đó, bộ vi điều khiển
sẽ tính ra được lực trợ động thực tế của cáp
treo và sau đó đưa vào bộ điều khiển PID.

Hình 2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển lực nâng dùng vi 
điều khiển AVR [4]

Thiết kế phần cứng

Khối vi điều khiển

Sơ đồ hệ thống mạch hiển thị trong Hình 2 đã
được thiết kế xung quanh vi điều khiển Atmel
AVR Atmega128 [4] . Đây là bộ vi điều khiển
được tích hợp sẵn các thiết bị ngoại vi trên
chip như cổng lập trình I / O, Timer và Reset
ngoài, bộ tạo dao động RC, EEPROM,
Power On Reset (POR) đang được sử dụng
để giảm chi phí và nâng cao hiệu suất và độ
tin cậy. Vì thế điều này làm cho vi điều
khiển AVR trở thành một lựa chọn tốt nhất
cho các hệ thống nhúng. MCU sử dụng bộ
tạo dao động chuẩn 8 MHz bằng thạch anh
ngoài cho đồng hồ hệ thống.

Khối giao tiếp máy tính

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

Khối chuyển đổi tín hiệu

Sau khi tìm hiểu u cầu của sản phẩm, cũng
như phân tích tín hiệu điện áp tương tự đầu ra
của Loadcell, nhóm nghiên cứu chọn sử dụng
bộ chuyển đổi tương tự số ADC 24-bit

HX711 [7] đáp ứng đầy đủ những yêu cầu
phân tích ở trên.

Sơ đồ nguyên lý của khối chuyển đổi tín hiệu
được minh họa ở hình 3.

Hình 3. Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự-

số sử dụng ADC 24-bit HX711 
Khối IC MOSFET

Để điều khiển động cơ servo, nhóm nghiên
cứu sử dụng mạch cầu H như trong hình 4.
Động cơ được điều khiển bằng phương pháp
PWM.

Hình 4. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bằng cầu H 
Thực hiện bộ điều khiển pid

Về bản chất lực nâng được tạo ra bằng việc
điều khiển vị trí của puly tạo lực căng như
trong hình 1. Từ đó bài tốn điều khiển lực
nâng có thể dựa trên bài tốn điều khiển vị trí.
Để điều khiển vị trí bằng PID (hình 5) có hai
bước, bước đầu tiên là tính tốn vị trí cần đạt
được sau đó chuyển sang tính tốn giá trị vận
tốc và hướng quay của động cơ trong q
trình di chuyển đến vị trí cần đạt được.

Hình 5. Cấu trúc của một bộ điều khiển PID

Khối bù tỷ lệ: Chức năng chính của khối bù tỷ

lệ là tạo ra một mức tín hiệu tỷ lệ thuận (Kp)
với sự chênh lệch (lỗi) tạo ra từ việc so sánh
giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống.

Khối bù đạo hàm: Trong một hệ thống phản

hồi, khối bù đạo hàm sẽ tạo ra một giá trị là
tích số theo đạo hàm của tín hiệu chênh lệch
với một hệ số là Kd. Nói cách khác, độ dốc
của các dạng sóng tín hiệu chênh lệch sẽ tác
động đến đầu ra. Mục đích chính của nó là cải
thiện sự đáp ứng với quá trình quá độ của hệ
thống điều khiển vịng kín.

Khối bù tích phân: Là tích số theo tích phân

của tín hiệu chênh lệch với một hệ số là Ki.
Điều này có nghĩa là diện tích dưới đường
cong hàm số theo tín hiệu chênh lệch sẽ ảnh
hưởng đến các tín hiệu đầu ra. Khối này của
bộ điều khiển sẽ làm tăng tính ổn định của
tồn hệ thống.

Bảng 1 mơ tả phương trình biểu diễn các khối
này cũng như biến đổi Laplace tương ứng của
chúng. Và như vậy, một bộ điều khiển PID có
thể được mơ tả tốn học như trong bảng 2.

Bảng 1. Các khối cơ bản trong bộ điều khiển PID

Khối bù Hàm biến thiên theo thời gian Biến đổi 
Laplace

Tỷ lệ Kp.e(t) Kp

Đạo hàm Kd. e(t) Kd.s

Tích

phân Ki.

Bảng 2. Các khối cơ bản trong bộ điều khiển PID 
Khối Hàm biến thiên theo thời

gian Biến đổi Laplace

Điều
khiển
PID

Kp.e(t)+Kd. e(t)
+Ki.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Để thực hiện điều khiển chính xác lực nâng
nhóm nghiên cứu sử dụng hai bộ điều khiển
PID như trong hình 6. Với đầu vào là lực
nâng cần đặt và đầu ra là tín hiệu PWM để
điều khiển tốc độ động cơ.

Kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển PID được dùng
nhiều nhất là phương pháp Ziegler–Nichols [8],
nó địi hỏi phải có đồ thị đáp ứng của mơ hình
tín hiệu cần điều khiển như hình 7.

Hình 6. Mơ hình điều khiển của hệ thống

Hình 7. Đáp ứng điều khiển theo phương pháp

Ziegler-Nichols [8]

Có bốn bước cần thực hiện để tính toán ba
tham số Kp, Ki, Kd, theo phương pháp
Ziegler–Nichols. Đó là:

1) Xây dựng đồ thị đáp ứng tín hiệu.
2) Vẽ đường tiếp tuyến với đoạn biến thiên.
3) Đo đạc và tính toán tham số của đường
thẳng đó (hình 7).

4) Xác định tham số như trong bảng 3.
Bảng 3. Tính tốn Kp, Ki, Kd 
Bộ điều khiển Kp Ki Kd

P 1/a

PI 0.9/a Kp/3L

PID 1.2/a Kp/2L KpL/2

Bảng 4. Lựa chọn các tham số Kp, Ki, Kd cho hệ thống

Bộ điều khiển Kp Ki Kd

PD 10.86 0.085

PI 0.118 1.847

Các hệ số cho hai bộ điều khiển PD và PI của
hệ thống được lựa chọn như ở bảng 4, còn lưu
đồ thuật toán điều khiển lực trợ động được
minh họa ở hình 8.

Hình 8. Lưu đồ thuật tốn điều khiển lực trợ động
Thực hiện phần mềm

Việc tự động hóa quy trình hỗ trợ tập luyện cho
bệnh nhân được thể hiện như trong hình 9.

Hình 9. Quy trình hỗ trợ tập luyện

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

dưỡng viên sẽ kiểm tra các thông tin liên quan
tới bệnh nhân, căn cứ theo mã (ID) của bệnh
nhân để kiểm tra phác đồ điều trị, qua đó xác
định bài tập cần thiết tại thời điểm đó.

Sau khi kiểm tra lại thơng số và điều kiện vật
lý về an toàn của máy tập, trong trường hợp
khơng có vấn đề gì, điều dưỡng viên sẽ truyền
các thông số của bài tập tương ứng cho bệnh

nhân đến máy tập, kết nối và ấn út khởi động
bài tập. Điều dưỡng viên có trách nhiệm hỗ
trợ bệnh nhân trong khi tập luyện và ghi các
kết quả tập luyện theo từng bệnh nhân.
Trong quy trình này, đối tượng thực hiện các
chức năng là điều dưỡng viên (có thể là hộ
lý/y tá), đối tượng cần hỗ trợ là bệnh nhân.
Điều dưỡng viên thực hiện các chức năng
được lập trình thành các chương trình phần
mềm sau:

- Kết nối và điều khiển máy tập: Căn cứ theo
phác đồ điều trị của từng bệnh nhân và kết
quả tập luyện được lưu trữ trong cơ sở dữ
liệu, điều dưỡng viên thiết lập phiên điều trị
cho từng bệnh nhân, tìm tới bài tập tương ứng
với từng bệnh nhân tại thời điểm tập luyện để
kết nối phần mềm điều khiển với máy tập.
Điều dưỡng viên thao tác điều khiển máy tập
hỗ trợ bệnh nhân.

- Quản lý kết quả tập luyện của bệnh nhân:
Dữ liệu về kết quả luyện tập của bệnh nhân
được tự động cập nhật về cơ sở dữ liệu trung
tâm thông qua phân hệ phần mềm điều khiển.
Điều dưỡng viên chủ yếu lập báo cáo về kết
quả luyện tập theo từng bệnh nhân và theo
từng bài tập tại từng thời điểm. Thống kê số
liệu cho bác sỹ và thực hiện nhập, sửa dữ liệu
khi có yêu cầu của bác sỹ.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Hình 10 minh họa cơ cấu cơ khí tạo và đo lực
trợ động, cịn được đưa ra ở hình 11 là hình
ảnh mạch điều khiển lực trợ động thực tế.

Hình 10. Cơ cấu cơ khí tạo và đo lực trợ động

Hình 11. Mạch điều khiển lực trợ động 
Thử nghiệm điều khiển lực trợ động (như
minh họa ở hình 12 và 13) cho thấy hệ thống
hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đặt ra là điều
khiển ổn định lực trợ động. Như trong hình
12 đó là tín hiệu PWM để điều khiển, còn
trong hình 13 đó là lực trợ động ứng với mức
thiết lập là 5 kg.

Hình 12. Tín hiệu PWM điều khiển ứng với mức

trợ động 5 kg

Hình 13. Lực trợ động thực tế
KẾT LUẬN

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

và quá tải trong phục hồi chức năng tại Việt
Nam hiện nay.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. />
s/328-thong-tin-chung-v-ngui-khuyt-tt--vit-nam.html

3. Trần Xuân Tùy, Đào Minh Đức, “Nghiên cứu
điều khiển thiết bị tập phục hồi chức năng cổ tay
khi sử dụng cơ cấu PAM”, Kỷ yếu Hội nghị Khoa

học và Cơng nghệ tồn quốc về cơ khí lần thứ IV,
trang 812-820

4. />px

5. />ies.html

6. />p?pageurl=page_goodslist&part_code=130005000
7.
www.sunrom.com/p/loadcell-sensor-24-bit-adc-hx711

8. J. G. Ziegler and N. B. Nichols (1942),
“Optimal settings for automatic con-trollers,”
Trans. ASME, vol. 64, pp. 759–768.

SUMMARY

APPLICATION OF AUTOMATIC TECHNOLOGY

ON CONTROLLING SUPPORT FORCE FOR STANDING REHABILITATION 
FOR PATIENTS AFTER STROKE

Nguyen Hoai Giang1, Hoang Anh Dung1, 
Nguyen Van Son1*, Nguyen Viet Dung2, Pham Thanh Binh3

1

Hanoi Open University, 
2

School of Electronics and Telecommunications - Hanoi University of Science and Technology 
3

Northern mountainous Agriculture & Forestry Science Institute

Currently in Vietnam, in rehabilitation equipments, changing support force for standing
rehabilitation is mostly by hand or manual. This paper describes a method and algorithm for servo
controlling support force using Atmel AVR ATmega128 microcontroller paired with personal
computer for standing rehabilitation for patients after stroke. The use of microcontrollers
combining with control software on the computer will adjust accurately the support force of the
rehabilitation device, reducing human manipulation and ease of storage assessment training results
to help doctors have a more accurate assessment of patient’s status.

Key word: Standing rehabilitation, support force, automatic control, microcontroller

Ngày nhận bài: 02/12/2016; Ngày phản biện: 20/12/2016; Ngày duyệt đăng: 31/5/2017

</div>


<a href=' /><a href=' nam.html'> </a>
Điều tra, nghiên cứu một số thực vật Việt Nam có tác dụng hỗ trợ điều hòa lượng đường trong máu để ứng dụng cho bệnh nhân tiểu đường